充電機快充技術
2017-6-30 9:17:26??????點擊：
去年，三星NOTE7的充電機充電蓄電池爆炸事件，引發(fā)了全球市場的關注。三星電子隨后相繼召回全球約250萬部Galaxy Note 7設備，此舉據(jù)估算花費該公司約1萬億韓元（9.04億美元）的成本。此次充電機充電蓄電池質(zhì)量事件，究其原因由電芯缺陷引發(fā)的，是充電機快充技術惹的禍！
如今智能手機仍在持續(xù)升級，無論在屏幕尺寸還是硬件性能都在不斷飆升，可唯獨充電機充電蓄電池續(xù)航無法得到質(zhì)的提升。在其他部件技術正在快速發(fā)展的同時，充電機充電蓄電池技術并沒有同步得到發(fā)展，已經(jīng)被遠遠甩在后面。正因如此，手機的續(xù)航能力成為用戶日常使用手機最頭疼的問題。而快速充電機充電可以說是因為在目前這個環(huán)境下推出的一個更有效的手法。
充電機快充技術
講充電機快充技術必須先了解充電機充電蓄電池充電機充電中的“C”的概念。這個概念非常重要，是充電機充電蓄電池討論分析中最常用的術語。
充電機充電蓄電池中的倍率縮寫是Current-Rate--“A C rate is a measure of the rate at which a battery is discharged relative to its maximum capacity. A 1C rate means that the discharge current will discharge the entire battery in 1 hour.” 就是充電機充電蓄電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值，1C表示用1個小時將充電機充電蓄電池電量放完所需要的電流大小。2C就表示0.5小時放完所需要的電流大小。倍率越大，也就意味著電流越大。
之后就是充電機快充的定義：顧名思義，充電機快充即對二次可充放充電機充電蓄電池的快速充電機充電的過程，其實多快算快，多快就不算快也沒有一個特別嚴格的定義，但是一般情況下可以簡單化的理解為在小于1小時內(nèi)充電機充電的制度(即充電機充電速率大于1C)。
充電機快充技術的基本概念
1、充電機充電蓄電池的充電機充電一般都是靠測量其電壓來測定充放電程度的，使用庫侖計的是少數(shù)，而這種情況下充電機充電蓄電池充/放電的電量顯示實際上只是一個充電機充電蓄電池實時電壓的換算關系。充電機快充與慢充相比，會帶來很大的過電壓(電流變大，U=IR，充電機充電蓄電池內(nèi)阻會貢獻更大的過電壓)，化學擴散反應也會跟不上，此時雖然充電機充電蓄電池可能表面上充到了一個高電壓值而顯示電量很高，實際上并沒有充進那么多電，一個實例如下圖所示：
2、實際上，任何充電機充電蓄電池其實都能充電機快充充“滿”電，在這里的“滿”其實只是電壓提了上去，無法與充入的電量/能量直接線性比例地對應起來。而且在這些時候，大電流充電機充電會導致焦耳發(fā)熱效應加劇(Q=I2Rt)，并帶來充電機充電蓄電池內(nèi)的材料副反應分解、產(chǎn)氣等一系列問題，危險系數(shù)驟然增加，至于此條件下充電機充電蓄電池的壽命就更不用提了，非功率型充電機充電蓄電池的壽命必然會大幅縮短：因此其實是大部分廠家自己為了安全可靠，出于綜合考慮，廠家設計了電路為充電機充電蓄電池限定了充電機充電電流的上限，不讓大家使用充電機快充。
3、如果充電機充電蓄電池想要充電機快充，對于其功率相關的性能要求也就更高，內(nèi)阻低就是很重要的一條(Q=I2Rt，小的電阻值R可以減少焦耳發(fā)熱量)，在這種情況下，使用高電導的電極材料(碳包覆，改性提高鋰擴散系數(shù)，減小粒徑縮短擴散路徑)、使用更多的導電劑、涂布更薄的電極(讓傳質(zhì)擴散距離變短)都是典型的功率充電機快充型充電機充電蓄電池的設計思路。以上這些設計理念當然也會與追求能量密度的目標有所沖突，魚與熊掌不可兼得。
4、滿足上述特性的功率型充電機充電蓄電池，比起能量型充電機充電蓄電池更為適合充電機快充，這意味著其內(nèi)阻小，充電機充電發(fā)熱量低，副反應更少，安全性能更好，比起能量型/那些大部分不適合充電機快充的充電機充電蓄電池，在大電流充電機快充時其電壓與充入電量/能量的對應關系更優(yōu)，通俗的講就是：發(fā)熱少，更安全，真的能充進那么多電，而不是只是顯示著好像能充進去。
5、老生常談的一個簡單判據(jù)，如果有人吹噓他的充電機快充技術，你一定要折算一下充電機充電功率，然后看看這個充電機充電功率需要對應多粗的電線，單這一條判據(jù)就足夠篩走90%不靠譜的充電機快充假新聞了。
充電機快充技術對于充電機充電蓄電池的要求
如果充電機充電蓄電池想要充電機快充，對于其功率相關的性能要求也就更高。那么充電機充電蓄電池就要提升功率性能，需要在充電機充電蓄電池整體的各個環(huán)節(jié)中都下功夫，主要包括正極、負極、電解液、隔膜和結構設計等。
1、正極
各種正極材料幾乎都可以用來制造充電機快充型充電機充電蓄電池，主要需要保證的性能包括電導(減少內(nèi)阻)、擴散(保證反應動力學)、壽命(不需要解釋)、安全(不需要解釋)、適當?shù)募庸ば阅?比表面積不可太大，減少副反應，為安全服務)。當然，對于每種具體材料要解決的問題可能有所差異，但是我們一般常見的正極材料都可以通過一系列的優(yōu)化來滿足這些要求，但是不同材料也有所區(qū)別：
A、磷酸鐵鋰可能更側(cè)重于解決電導、低溫方面的問題。進行碳包覆，適度納米化(注意，是適度，絕對不是越細越好的簡單邏輯)，在顆粒表面處理形成離子導體都是最為典型的策略，相關有大量的文獻以及企業(yè)的研究成果報導，在國內(nèi)，CATL和BYD等企業(yè)都在磷酸鐵鋰的優(yōu)化方面有自己的特色。
B、三元材料本身電導已經(jīng)比較好，但是其反應活性太高，因此三元材料少有進行納米化的工作(納米化可不是什么萬金油式的材料性能提升的解藥，尤其是在充電機充電蓄電池領域中有時還有好多反作用)，更多在注重安全性和抑制(與電解液的)副反應，畢竟目前三元材料的一大命門就在于安全，近來的充電機充電蓄電池安全事故頻發(fā)也對此方面提出了更高的要求。
C、錳酸鋰是則對于壽命更為看重，目前市面上也有不少錳酸鋰系的充電機快充電機充充電機充電蓄電池。
鋰離子充電機充電蓄電池的電化學原理示意圖
2、負極
鋰離子充電機充電蓄電池充電機充電的時候，鋰向負極遷移。而充電機快充大電流帶來的高過電位會導致負極電位更負，此時負極迅速接納鋰的壓力會變大，生成鋰枝晶的傾向會變大，因此充電機快充時負極不僅要滿足鋰擴散的動力學要求，更要解決鋰枝晶生成傾向加劇帶來的安全性問題，所以充電機快充電機充電芯實際上主要的技術難點為鋰離子在負極的嵌入。
A、目前市場上占有統(tǒng)治地位的負極材料仍然是石墨(占市場份額的90%左右)，根本原因無他--便宜(你們天天嫌充電機充電蓄電池貴！)，以及石墨綜合的加工性能、能量密度方面都比較優(yōu)秀，缺點相對較少。石墨負極當然也有問題，其表面對于電解液較為敏感，鋰的嵌入反應帶有強的方向性，因此進行石墨表面處理，提高其結構穩(wěn)定性，促進鋰離子在基上的擴散是主要需要努力的方向，CATL在這方面做了很多非常先進的工作，有效地提升了石墨負極的綜合性能。
B、硬碳和軟碳類材料近年來也有不少的發(fā)展：硬碳材料嵌鋰電位高，材料中有微孔因此反應動力學性能良好；而軟碳材料與電解液相容性好，MCMB材料也很有代表性，只是硬軟碳材料普遍效率偏低，成本較高(而且想像石墨一樣便宜恐怕從工業(yè)角度上看希望不大)，因此目前用量遠不及石墨，更多用在一些特種充電機充電蓄電池上。
C、另外，鈦酸鋰的優(yōu)點是功率密度高，較安全，缺點也明顯，能量密度很低，按Wh計算成本很高。因此鈦酸鋰充電機充電蓄電池是一種有用的在特定場合下有優(yōu)勢的技術，但是對于很多對成本、續(xù)航里程要求較高的場合并不太適用。
D、硅負極材料是重要的發(fā)展方向，松下的新型18650充電機充電蓄電池已經(jīng)開始了對此類材料的商用進程。但是如何在納米化追求性能與充電機充電蓄電池工業(yè)對于材料的一般微米級的要求方面達到一個平衡，仍是比較有挑戰(zhàn)性的工作。
3、隔膜
對于功率型充電機充電蓄電池，大電流工作對其安全、壽命上提供了更高的要求。隔膜涂層技術是繞不開的，陶瓷涂層隔膜因為其高安全、可以消耗電解液中雜質(zhì)等特性正在迅速推開，尤其對于三元充電機充電蓄電池安全性的提升效果格外顯著。陶瓷隔膜目前主要使用的體系是把氧化鋁顆粒涂布在傳統(tǒng)隔膜表面，比較新穎的做法是將固態(tài)電解質(zhì)纖維涂在隔膜上，這樣的隔膜的內(nèi)阻更低，纖維對于隔膜的力學支撐效果更優(yōu)，而且在服役過程中其堵塞隔膜孔的傾向更低。涂層以后的隔膜，穩(wěn)定性好，即使溫度比較高，也不容易收縮變形導致短路，清華大學材料學院南策文院士課題組技術支持的江蘇清陶能源公司在此方面就有一些代表性的工作，隔膜如下圖所示。
涂布固態(tài)電解質(zhì)纖維的隔膜
4、電解液
電解液對于充電機快充鋰離子充電機充電蓄電池的性能影響很大。要保證充電機充電蓄電池在充電機快充大電流下的穩(wěn)定和安全性，此時電解液要滿足以下幾個特性：A)不能分解，B)導電率要高，C)對正負極材料是惰性的，不能反應或溶解。如果要達到這幾個要求，關鍵要用到添加劑和功能電解質(zhì)。比如三元充電機快充電機充充電機充電蓄電池的安全受其影響很大，必須向其中加入各種抗高溫類、阻燃類、防過充電機充電類的添加劑保護，才能一定程度上提高其安全性。而鈦酸鋰充電機充電蓄電池的老大難問題，高溫脹氣，也得靠高溫功能型電解液改善。
5、充電機充電蓄電池結構設計
典型的一個優(yōu)化策略就是疊層式VS卷繞式，疊層式充電機充電蓄電池的電極之間相當于是并聯(lián)關系，卷繞式則相當于是串聯(lián)，因此前者內(nèi)阻要小的多，更適合用于功率型場合。另外也可以在極耳數(shù)目上下功夫，解決內(nèi)阻和散熱問題。此外使用高電導的電極材料、使用更多的導電劑、涂布更薄的電極也都是可以考慮的策略。
手機市場的主流充電機快充技術方案
從小型的電子產(chǎn)品到大型的電動汽車，甚至電動公交車，各大品牌廠商都在充電機快充技術上下足了功夫。
在電子產(chǎn)品市場，現(xiàn)在比較成熟的充電機快充技術方案已經(jīng)陸續(xù)研發(fā)出來了。主要的充電機快充實現(xiàn)方式是：電壓不變，提高電流；電流不變，提升電壓；電壓、電流均提高。從OPPO推出VOOC充電機閃充方案后，各家的充電機快充方案不斷出現(xiàn)。目前高通、MTK、Intel陣營都在主導自有標準的充電機快充方案。
1、高通Quick Charge 3.0
高通發(fā)布了最新的充電機快充技術Quick Charge 3.0。
高通Quick Charge 2.0充電機快充技術將充電機充電電壓從5V提高到9V（最高至12V），充電機充電電流則由1A提升到1.6A（最大3A）。根據(jù)高通官方給出的數(shù)據(jù)，QuickCharge 2.0能夠在30分鐘內(nèi)為一款充電機充電蓄電池容量為3300mAh的智能手機充入60%的電量。
在不改變MicroUSB充電機充電接口的前提下，同時提高電流和電壓，讓手機充電機充電速度飛躍提升，節(jié)省了不少等待時間，這一新技術得到了手機廠商的推崇，引起了用戶和媒體的持續(xù)關注。自高通Quick Charge 2.0的發(fā)布之后，各大電子品牌相繼推出了融合各自特點的充電機快充方案及搭載相關方案的產(chǎn)品。
而Quick Charge 3.0采用INOV最佳電壓智能協(xié)商算法后，則以200mV增量為一檔，提供從3.6V到20V電壓的靈活選擇。這將允許手機等移動終端獲得恰到好處的電壓，達到預期的充電機充電電流，從而最小化電量損失、提高充電機充電效率并改善熱表現(xiàn)。現(xiàn)在充電機快充技術與USB Type-C的結合，更是將易用性與實用性推向新高度。
Quick Charge 3.0正式推出，并將在部分高通驍龍?zhí)幚砥髦幸赃x配形式提供，包括驍龍820、652、650、625、617、435和430處理器。
2、OPPO VOOC充電機閃充技術
OPPO在充電機快充技術的研究上也占了一席之地。OPPO的VOOC是首批商用的充電機快充技術之一，與其他提升電壓的技術不同，OPPO在不改變電壓的輸出情況下，采用了5V大電流輸出，從而提升充電機充電速度。
OPPO在Find 7上首次嘗試自主研發(fā)的VOOC充電機閃充技術，輸出規(guī)格為5V/4.5A（22.5W），實際測試確實效果突出，從23%充到100%只用了一個小時。OPPO N3則配備了全新升級和改良的二代VOOC充電機閃充，輸出規(guī)格提升到5V/5A（25W），官方稱30分鐘即可完成從0-75%的快速充電機充電。到現(xiàn)在的OPPO R5、R7充電機充電速度更快，性能更強勁。R7更是打出了 “充電機充電5分鐘，通話2小時”的彪悍廣告語，證明了OPPO在充電機快充技術方面的實力。
目前，OPPO的VOOC充電機閃充技術應用于自家的OPPO Find7、N3、R5、R7等系列產(chǎn)品，市場反響不錯。
作為OPPO的獨門絕技，該充電機充電技術是一整套定制的電路、電芯、接口、數(shù)據(jù)線，配以智能MCU芯片的適配器，針對OPPO手機量身打造，并不適用于其他手機。這是OPPO vooc技術推廣的短板。
3、MTK Pump Express Plus充電機充電技術
MTK的Pump Express Plus充電機充電技術是通過提升電壓的方式，來提高充電機充電速度，實現(xiàn)充電機快充的。已經(jīng)在MT6595、MT6732等平臺開放Pump Express Plus充電機充電技術，前者為快速直流充電機充電器提供的輸出功率小于10W（5V），后者為充電機充電器提供的輸出功率大于15W（高達12V）--充電機充電30分鐘可將2060mAh的手機充電機充電蓄電池電量從0%充到75%。最大輸出電壓是12V，以便安全可靠地輸送15W以上或更高的電能。其最大充電機充電速度比傳統(tǒng)充電機充電器快45%，它能夠更加高效地向充電機充電蓄電池輸送電能，從而縮短充電機充電時間。
MTK的Pump Express Plus充電機充電技術還有一個絕招，減少恒流充電機充電時間，通過檢測手機充電機充電過程中根據(jù)充電機充電蓄電池電壓、電量和溫度等參數(shù)動態(tài)，來不斷調(diào)整恒流階段的充電機充電電壓，實現(xiàn)充電機充電蓄電池的快速充電機充電。
目前搭載MTK Pump Express Plus充電機充電技術的電子產(chǎn)品不多，主要有以下幾個：
Koobee Halo3是首款具備MTK Pump Express Plus技術的手機 。高速充電機閃充功能讓手機只需要半個小時的充電機充電時間，就能將Halo3充至75%。同時，Koobee Halo3還進行了特殊的電路開關設計，使得用戶在享受充電機閃充帶來的高速充電機充電體驗的同時，不必擔心安全問題。
魅族MX5也可能采用MTK Pump Express Plus充電機充電技術。有人預測，如果MX5采用MT6795八核處理器，將會選擇MTK充電機快充。魅族MX5的充電機充電器為UP1220，輸入支持100-240V全球?qū)挿妷海?輸出共有三檔，分別是5V、9V、12V，都是2A，輸出功率高達24W。
總體來說，MTK Pump Express Plus通過提升電壓、搭配電流檢測的方式，實現(xiàn)充電機充電蓄電池充電機快充的技術還是很不錯的。
4、TI MaxCharge充電機快充技術
叫陣高通和聯(lián)發(fā)科，TI也推出了移動充電機快充協(xié)議MaxCharge。TI遵循的充電機快充原則是電流電壓同時提高，實現(xiàn)充電機充電蓄電池充電機快充。
TI發(fā)布了三款充電機快充IC，與現(xiàn)有的5V2A輸入充電機充電速度相比，這三顆IC輸入電流高達5A，將充電機充電電流提升了一倍以上，最高可將充電機充電時間減少60%，讓用戶可以實現(xiàn)快速充電機充電的同時又不會受到發(fā)熱過量的困擾。TI帶來的MaxCharge充電機快充技術不止充電機充電電流彪悍，輸入電壓最高可達14V，從而向下兼容高通QuickCharge2.0的9V、12V兩檔電壓，而對MTKPumpExpress的7V、9V、12V支持也更不在話下。
強大的性能可能會讓TI在接下來的時間里，收到市場歡迎。但是TI的較高的成本價，可能會讓低端品牌望而卻步。
5、其他充電機快充技術
蘋果公司在充電機快充技術上也推出了自家的解決方案，采用提高電壓的方法，實現(xiàn)Apple 20V充電機快充技術。未來iOS或?qū)⑴鋫漭敵?V到20V的充電機充電器，打破現(xiàn)在5V的充電機充電器限制。iPhone可以使用最高20V的充電機充電器來充電機充電。
快速充電機充電對于我們?nèi)粘Ｉ畹谋憷鋵嵍挤浅Ｖ庇^，核心無非在于省時間這一點--電動汽車如果可以像汽油車一樣幾分鐘就可以恢復最大續(xù)航；手機迅速充滿(比如VIVO OPPO等手機的技術，其中CATL為其提供充電機快充型充電機充電蓄電池做出了相當?shù)呢暙I)，不用為了電量總是焦慮。但是充電機快充電機充充電機充電蓄電池的潛在貢獻遠不只在此，比如功率型儲能器件快速普及可以極大的幫助新能源的消納，尤其是應對間隙性和波動性的問題，功率儲能設備還可以在電網(wǎng)中承擔更多的復雜服務功能，其快速響應的優(yōu)點可以勝任電網(wǎng)中的許多場合，帶來綜合收益，是電網(wǎng)智能化、建設能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。
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